Коллоидные системы, так же как и истинные растворы, поглощают, отражают и преломляют свет. Их отличительной особенностью является способность рассеивать свет (явление опалесценции).
Опалесценция становится особенно заметной, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. В этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).
Рассеивание света наблюдается только тогда, когда длина световой волны (λ) больше размера частицы дисперсной фазы. Если λ меньше диаметра частиц, наблюдается отражение света.
Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность опалесценции с размером частиц и концентрацией частиц в системе:
уравнение Рэлея
где I0 – интенсивность падающего света, Ip – интенсивность опалесценции,
Ip/I0 – мутность системы, k –константа, с –концентрация (кг/м3),
r – радиус частицы (м), λ –длина волны падающего света (м).
Уравнение выведено при следующих допущениях:
1) частицы имеют сферическую форму и не проводят электрический ток;
2) размер частиц не должен быть более 1/10 от λ (40-50 мкм); при увеличении размера частиц показатель степени λ уменьшается; при очень больших размерах показатель степени превращается в нуль и светорассеивание переходит в отражение света;
3) большое расстояние между частицами (разбавленная система). При больших концентрациях возникает многократное рассеивание и прямая зависимость между Ip/I0 и концентрацией нарушается.
Выводы из уравнения Рэлея:
1. При уменьшении размера частиц опалесценция резко уменьшается (в 3-ей степени), поэтому при облучении истинных растворов опалесценция не наблюдается. Однако она будет наблюдаться, если для облучения будут использованы излучения с малой длиной волны (например, рентгеновское).
2. Для частиц данного размера мутность Ip/I0 прямо пропорциональна концентрации частиц коллоидной системы. Это позволяет определять концентрацию по мутности раствора.
3. При облучении бесцветных коллоидных систем белым светом рассеиваются главным образом короткие волны (синие), т.к. Ip обратно пропорционально λ4. Поэтому при боковом освещении бесцветные коллоидные системы имеют синеватую окраску, а в проходящем свете – красноватую (дополнительный к синему цвет).
4. Коэффициент k в уравнении Рэлея зависит от соотношения величин показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если они одинаковы, то k ≈ 0, светорассеивания нет.